汽车轮胎压力控制系统及引力波的实验探测给我们的启示

计算机控制系统设计性实验报告学生姓名:学号：学院:自动化工程学院班级自动136题目汽车轮胎压力控制系统显示模块选题背景显示模块信号处理模块信号接收模块信号处理模块信号接收模块报警模块报警模块图图1-1系统组成框图汽车轮胎是汽车的重要组成部件之一,与汽车行驶的安全性!经济性有重要的关系"而轮胎的压力和温度又是轮胎运行中的重要参数,随时保持在正确的胎压下行驶,对驾驶者的人身安全及提高轮胎的使用寿命是非常重要的"图l一1轮胎气压与使用寿命关系图轮胎的可用行驶里程与轮胎气压有密切的关系,如图1一1所示,统计表明当轮胎气压偏离标准值25%时,轮胎使用寿命将缩短巧%一20%。当汽车重载时,这一情况更为严重。轮胎的充气度将直接影响汽车的经济性!操纵性!稳定性和舒适性。轮胎的充气度将直接影响汽车的经济性!操纵性!稳定性和舒适性。轮胎充气不足将加大轮胎变形,加速轮胎磨损,增大车轮滚动摩擦阻力,从而耗油增加。汽车在高速状态下行驶时,胎压低于下限值,轮胎将因急剧升温而导致脱层,为爆胎埋下隐患。轮胎压力过高则将减小轮胎与地面的的接触面,轮胎局部压力增大,磨损加剧,减小附着力,汽车操纵性下降,高速行驶时遇障碍物易发生爆胎。据统计,在中国高速公路上有70%车祸是由于爆胎引起的,在美国这一系数高达80%。故一个可以实时!准确地显示轮胎压力、温度等信息的汽车轮胎压力监测系统(TPMs)显得十分必要。2021年n月1号美国总统克林顿批准签署了国会关于修改联邦运输法的提案,要求2021年12月31号后所有的新车都需把“轮胎压力检测装置”作为标准配置。随着美国安全法案的推出必将导致胎压检测发展的新一轮浪潮。其实汽车轮胎压力监测系统已有多年历史,期间还出现了可以根据路况自动调节轮胎压力的控制装置,但由于技术与成本问题没有得到推广。目前,丁PMS所应用的测量压力方法主要有直接测量压力法与间接测量压力法。间接测量压力法是基于ABS系统的,基本原理是利用ABS检测的轮子转速信号,通过计算各车轮转速差达到检测车轮直径变化的目的,间接判断压力异常与否。间接法的缺点是误差大,并且只有当轮子转速达到一定差值之后才能实现功能。本文要介绍的是直接测量压力法,此方法直接得到压力等数据"随着集成电路的发展和微处理器的广泛应用,此方法成本也将不断降低。但由于系统下位机是安装在轮毅上的,它只能由电池供电,故要求小体积与低功耗的特性,这也是本课题研究重点之一。目前,很多高档轿车安装有直接式胎压检测系统,例如AudiASQuattor及奔驰的S级轿车。在国内TPMS也是大势所趋,所以可以说这个项目是具有很高的工业应用价值和很广阔的市场前景。方案论证（设计理念）监测汽车轮胎压力的方法很多。大致可分为间接式监测和直接式监测两种。2.1间接式汽车轮胎压力控制系统间接式汽车轮胎压力控制系统是与车辆的防抱死系统（ABS）一起使用的。ABS采用车轮转速传感器测量每个车轮的转速。间接式TPMS是通过汽车ABS系统的轮速传感器来比较车轮之间的转速差别，以达到监视胎压的目的。当汽车行驶时，轮胎气压监视系统接收4个车轮转速传感器的车轮转速信号，进行综合分析。当某一个轮胎的气压太高或不足时，轮胎的直径就会变大或变小，车轮的转速也相应产生变化。监视系统将车轮转速的变化情况同预先储存的标准值比较，就可得出轮胎气压太高或不足，从而报警。该类型系统的主要缺点是无法对两个以上的轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。同时，由间接式TPMS判断轮胎缺气的原当一个轮胎的气压减小时，滚动半径就减小，而车轮的旋转速度就相应地加快。这个比率可用下列等式来表达，见公式2-1。如果这个比率偏离设定的公差，一个或更多轮胎就会过于膨胀或处于充气不足状态。然后，指示灯会提示司机，有一个轮胎处于低压状态。但是，间接TPMS有一定的局限性。第一是指示灯无法指出是哪个轮胎处于低压状态。第二，当同一车轴或同一侧的两个轮胎都处于低压状态时，它无法检测出究竟是哪个轮胎充气不足。第三，如果所有四个轮胎都处于低压状态，该系统不会发现这一故障。另外，气压不足时轮胎直径的减少和气压的降低非常微小。对于薄胎来说，69kPa的压降只会使直径减小1mm。这种压降不符合美国的最终判定规则（FinalRuling）所规定的25%原则，采用间接方法进行检测在很大程度上依赖于轮胎和负载因子。2.2直接式汽车轮胎压力控制系统直接TPMS采用固定在每个车轮中的压力传感器直接测量每个轮胎的气压。然后，这些传感器会通过发送器将胎压数据发送到中央接收器进行分析，分析结果将被传送至安装在车内的显示器上。显示器的类型和当今大多数车辆上装配的简单的胎压指示器不同，它可以显示每个轮胎的实际气压，甚至还包括备用轮胎的气压。因此，直接TPMS可以连接至显示器，告诉司机哪个轮胎充气不足。由于直接TPMS可直接测量每个轮胎的气压，因此当任何一个或几个轮胎处于低压状态时，它们都会检测出这种状态，当车辆的所有四个轮胎都处于低压状态时也可以检测到。直接TPMS也可检测到较小的压降。有些系统甚至可以检测到7kPa的压降。直接式TPMS技术又分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主要区别是主动式TPMS中的轮胎模块需要电池提供能量，而被动式无须电池。图1直接式TPMS传感器和信号传输装置图2安装在汽车轮毂部分的轮胎压力检测模块图3安装在驾驶员前方的中央监测模块2.2.1主动式TPMS主动式TPMS是利用安装在每一个轮胎里的以锂离子电池为电源的压力传感器来直接测量轮胎的气压，并通过无线调制发射到安装在驾驶台的监视器上。监视器随时显示各轮胎气压，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统就会自动报警。系统主要由传感器，发射器、接收器和显示器组成。主动式技术的优点是:它是一种成熟的技术，开发出来的模块可适用于各厂牌的轮胎，但主动式TPMS传感器/发射器需要电池提供动力，因此不可避免的带来一些弊端，如电池的寿命有限;当气温严重降低时，电池的容量就会受到影响而减少，这使得它的可靠性不够稳定。此外，电池的化学物质也会导致环境问题，同时由于电池的存在很难降低发射器的重量。2.2.2被动式TPMS被动式TPMS，也叫无电池TPMS。用一个中央收发器(CentralTransceiver)代替了一般直接式TPMS中的中央接收器。这个收发器不但要接收信号而且要发射信号，安装在轮胎中的转发(Transponder)(代替了发射器)接收来自中央收发器的信号，同时使用这个信号的能量来发射一个反馈信号到中央收发器上。这就使得安装在轮胎内部的气压监测器发送数据不需要电池，从而解决了上述因电池所带来的问题。虽然此技术不用电池供电，但是它需要将转发器(Transponder)整合至轮胎中，这牵涉到各轮胎制造商需建立共同的标准才有可能。因此，无电池TPMS短期内还难以流行。综上看来，由于直接式TPMS有着测量精度高，稳定性好，体积较小，功耗较低等特点，因此本文主要论述直接式TPMS的设计。设计使用更加灵活，系统更加安全，可靠的汽车压力监测系统。2.3复合式ＴＰＭＳ为了满足多轮胎压力检测要求，推出了复合式ＴＰＭＳ。它通过在两个对角轮胎内装备压力传感器及一个四轮间接式测压装置来实现多轮胎压力检测。与前两种ＴＰＭＳ相比，复合式ＴＰＭＳ可以降低成本，同时可以弥补间接式监测系统不能检测出多个轮胎同时出现气压过低的缺点。它的缺点是不能直接提供所有轮胎内的实际压力和温度数据，因此应用范围较有限。通过对间接式、直接式、复合式ＴＰＭＳ的比较，直接式监测系统具有明显的优势，将成为未来轮胎压力监测系统的主导。过程论述3.1TPMS工作原理在轮胎的胎骰上安装一个内置气压感应装置,,它将气压和温度信号转换为电信号,通过无线发射装置将信号发射出来。传感器发射出来的气压信息由接收机接收处理后,再安装在驾驶台上的显示器中显示出来,在行驶过程中实时地进行监视。驾驶员从监视器上就可以清楚地知道每个轮胎的气压值,当轮胎的气压低于设定的气压下限时,监视器将自动报警。驾驶员可以根据显示数据及时地对轮胎进行加气或放气,发现渗漏可以及时处理。3.2TPMS的总体结构TPMS系统由轮胎发射模块和中央接收模块组成。以四个轮胎的轿车为例，系统由1个中央模块和4个轮胎模块组成。4个轮胎模块分别安装在汽车的四个轮胎中，对轮胎的压力参数进行实时的测量，并将测量的数据通过射频(RF)通信接口发送到中央模块进行处理。中央模块接收来自轮胎模块的数据，对数据进行分析处理，并进一步进行判断轮胎参数是否正常，如果发现异常，则及时进行报警。其原理框图见图3-1。压力传感器信号处理MCU信号压力传感器信号处理MCU信号发射(RF)信号处理MCU信号接收(RF)声光报警图3-1TPMS系统原理框图图3一2直接式TPMS结构示意图,3.3TPMS硬件设计轮胎发射模块在汽车行驶时实时检测轮胎内部气压和电池电压，并通过无线方式将信息发送到主机显示模块，所以检测模块主要包含传感器、微控制器、信号发射器以及供电电池。整个模块被放置在轮胎里面，在汽车高速行驶时轮胎内部产生高温情况下要能正常运行，并且能保证有效工作5~10年，所以模块的小型化、宽工作温度范围以及低功耗设计是十分重要。发射模块包括：具有压力、加速度、电压检测的智能传感器：4~8位单片机（MCU）；RF射频发射芯片；锂亚电池；天线。外壳选用高强度塑料。所有器件、材料都要满足-40℃～+125℃的使用范围。3.3.1传感器传感器选用SP12传感器。SP12传感器是德国InfineontechnologiesAG（英飞凌公司）面向汽车轮胎压力监视系统（TPMS）应用而推出的，是直接式TPMS的关键元件，该器件是个SoC模块，整合了硅显微机械加工的压力与加速度传感器，温度传感器和一个电池电压检测器，提供四合一传感功能，并配有一个能完成测量，信号补偿与调整及SPI串行通信接口的CMOS大规模集成电路。3.3.2微控制处理器与无线发射芯片ATAR862-3由于TPMS发射模块工作在剧烈震动，环境温差变化很大和不便于随时检修的条件下，因此要求所有的器件要有很好的可靠性和稳定性，适应工作在-40℃到+125℃温度范围。为了缩小TPMS发射模块的体积，节省功耗和增强功能，采用处理器和无线发射天线一体芯片ATAR862-3。其内部框图如图3-2所示。ATAR862ATAR862-3T5754发射芯片T5754发射芯片微控制器图3-2ATAR862-3内部框图ATAR862-3是24引脚封装，有UHFASK/FSK发送器的微控制器，在单封装内集成了三个芯片，4位微控制器，UHFASK/FSK发送器和512位EEPROM，有用作应用程序的闪存控制器，发射功率要求PA在9.5mA时能输出7-10dbm。工作电压2.0-4.0V，频率范围310-330MHz,数据速率高达32K波特，工作温度-40摄氏度到125摄氏度，SSO24封装，只有七个外接元件，可用在汽车接入和轮胎压力监视以及工业和消费类电子产品。ATAR862-3的UHFRF发送器其内部嵌入的是T5754UHFASK/FSK发送器，T5754由PLL，压控振荡器（VCO），功率放大器(PA)等组成，外部晶振源经XTO(串口谐振器)供给VCO，PLL向MCU提供时钟，MCU将以编码的数据流经PA调制在UHF指定频率，交由天线发射，天线采用印制在PCB板上的环形天线。3.3.3轮胎模块电源轮胎模块的电源关系到轮胎模块的寿命，甚至整个系统的可行性和稳定性，轮胎模块的电源选择是整个系统的重要组成部分。轮胎模块工作环境非常恶劣，不仅要耐高低温(-40℃~125℃)，而且还要能抗击振动、离心作用和高气压，因此要求非常高，所以电池也应该采用准军工级(汽车电子)的品类才能达到可靠和安全的目的。目前，工业级的电池中主要是锂亚电池(锂/亚硫酰氯，Li/SOCL2),锂锰电池(锂/二氧化锰，Li/MnO2)及锂氟化碳(锂/氟化碳，Li/CF)。3.3.4无线射频接收芯片摩托罗拉的MC33594器件是集成UHF超外差无线电接收模块。该芯片采用LQFP24封装,工作频率在300～450MHz频段,电压在4.5～5.5V范围内;接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口SPI(SerialPeripheralInterface)。通过SPI,它允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信,交换信息。SPI接口使用四条线:串行时钟线(SCK),主机输入/从机输出数据线MISO，主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线RESET。3.3.5无线接收处理系统电路设计接收系统由无线接收芯片MC33594和中央处理器89C2051芯片及外围电路组成的，其框图如图3-3所示。报警显示电路MCUAT89C2051报警显示电路MCUAT89C2051MC33594芯片图3-3无线接收系统电路原理图3.3.6接收模块电源接收器模块采用的是汽车电源，由于绝大部分轿车的电源电压为12伏，并且电压波动范围大，干扰大，而接收器模块需要的电压为5V，必须进行电平转换。线性三端稳压器件具有使用方便、调整率高、纹波抑制大等优点。设计中采用固定电压线性稳压电源器件，进行电压转换。设计中采用LM7805C三端5V正稳压器，输入电压范围为7.5V-35V之间，输出电流可以达到IA,满足接收器模块的容量需求，应用电路如图3-4所示。图3-4接收模块电路图3-4接收模块电路其中电容Cl用于输入电压的滤波，电容C2用于提高输出电压的暂态相应，C1,C2的值参考器件厂家的典型应用设计。二极管DI起保护作用，当输入电压突然降低时，输出电容对输出端放电，从而会引起三端集成稳压器的损坏，D1在此时就起到保护稳压器的作用。3.3.7显示报警单元在轮胎压力监测系统中，接收器模块能向驾驶员提供必要的信息：轮胎压力，轮胎温度，轮胎模块状态等；在报警时，能同时进行声光报警，迅速提醒驾驶员注意。因此系统应包括报警和信息显示两部分。报警部分分为语音报警和指示灯报警两部分，原理如图3-5所示，指示灯报警与信息显示相关联。11滤波放大D/A转换扬声器滤波放大D/A转换扬声器LED指示灯LED指示灯显示报警显示报警图3-5报警系统框图根据香农定理，采样频率只有大于信号有限带宽信号的最高频率的2倍时，才能由采样信号唯一地决定出原始信号。人耳能听到的声音的最高频率大概在16-3000Hz之间，所以，将语音的采样频率定为10KHz，以保证语言传送的清晰度。由语音处理技术可知，语音信号是由多种因素决定的，其中最重要的参数是“过零率”。因此我们采用1位A心转换器，以l0KHz的频率工作，即可实现语音信号的报警。微控制器语音报警电路由1位D/A转换器外加一个滤波放大和扬声器组成，如图3-6所示，触发器74LS74的D端与Q端相连，微控制器向触发器74LS74输送语音脉冲信号。每当D触发器74LS74的CP端接受到一个脉冲信号，就将是其输出端Q改变一次状态，从而完成1位D/A转换。信号通过放大滤波电路的输入端相接，放大滤波电路的输出驱动8Ω扬声器。图3-6声音报警电路液晶显示模块采用的是20*2字符型液晶显示器，可以显示轮胎的压力、温度数值，同时也具有报警信息的显示功能。显示电路采用的方法通常有静态显示和动态显示两种显示方式，静态显示的缺点是硬件电路过于复杂，动态显示的缺点是占有的微控制器的时间较多，在设计中，采用与微控制器基于SPI接口进行通讯的集成数码显示驱动电路，有效的减少硬件电路，有利于提高可靠性和较低成本，在把显示数据串行通讯到微控制器之后，不再需要CPU的参与，减少微控制器的使用率。在系统的设计中，用89C2051单片机进行显示的控制，该单片机与中央处理器通过SCI串行口通信，这样减轻了中央处理器的负担，使控制逻辑更加简单。LED指示灯的设计相对容易些，由4个I/O口直接控制4个LED灯。电路如图3-7所示。图图3-7接收器显示电路3.4TPMS软件设计系统的软件设计主要包括轮胎发射模块的软件设计和接收器模块的软件设计两部分。轮胎发射模块软件设计包括压力温度数据读取程序设计和无线信号发射软件设计。接收模块的软件设计包括无线信号接收处理软件设计和显示报警的程序设计。其功能框图如图3-8所示。数据读取程序设计系统程序设计数据读取程序设计系统程序设计轮胎发射模块轮胎发射模块无线信号发射程序设计无线信号发射程序设计显示报警程序设计显示报警程序设计中央接收模块中央接收模块无线信号接收程序设计无线信号接收程序设计接收数据处理程序设计接收数据处理程序设计图图3-8系统功能框图3.4.1轮胎发射系统的软件设计软件设计是轮胎压力检测系统研究工作的重要组成部分。本系统的轮胎温度和压力数据的采集，人机交互，无线信号的收发，数据分析和报警，都需要通过软件来实现的。因此开发性能优良、工作稳定的应用软件是整个系统能够正常和可靠运行的基本前提。本系统将采用软件工程的方法来进行相关控制软件的设计，并使这些软件具有高度的可扩展性和可维护性，满足系统最终的设计要求。根据系统的设计思想，该程序要完成压力和温度信号的采样，数据处理，数据编码和发送这几部分的功能。因为轮胎模块只有一块电池供电，所以系统需要具有高效率的计算能力，因此设计时必须综合考虑一下问题：(1)测量部分参数使用的能量要少于获得完整的加速度，压力，温度和电压所需要的能量；(2)选择适当的气压，温度测量频率和数据发送的频率；(3)为确保在任何恶劣的环境下都能使数据到达接收器，轮胎模块应能多次发送报警信号。3.4.2轮胎各项数据的读取程序设计为了节约能量，将车辆的行驶状况分为停放，启动，高速行驶三种状态，由测得的轮胎加速度决定车辆处于哪种状态中。不同的状态轮胎需测量的数据和发送的频率不同。轮胎模块测量部分流程图如图。停止状态轮胎模块上电复位，测量轮胎加速度，如果加速度为0g，则不测量其他数据，也不发射数据。ATAR862设置SP12为待机模式,而自身为休眠模式。6秒钟后SP12的唤醒信号唤醒ATAR862进入工作模式，再重新测量实时的加速度。启动状态一旦测量的加速度不等于0g且大于存储在ROM里的设定加速度阈值A，则车辆进入启动状态。在该状态中，轮胎模块测量压力数据和温度数据并发送。每6秒发送一次，只发送一帧。高速行使状态加速度如果小于设定的加速度阈值，车辆便进入高速行驶状态。轮胎模块除了测量压力和温度数据外，还需测量传感器的电压值。传输数据的时间间隔也相应缩短，每800ms测量一次并发送。3-9数据读取流程图3.4.3通信协议为了实现4个轮胎模块与中央接收模块进行无线通信的目的,发射机和接收机都需要按要求支持一个简单的通信协议。数据以9600bps的速率传送,采用FSK调制时,其发射方必须采用曼彻斯特编码方式,只有这样的码型接收机才能够接收。曼彻斯特编码就是一个数字信号值在每一个比特位周期内作高、低电平之间切换。前半周期低电平后半周期高电平表示数字0,而先高后低表示数字1。轮胎模块以数据包(帧)的形式发送数据,当轮胎模块中的MCU决定要发送数据(由传感器采集到的温度、压力数据)时,通过发送数据帧的前导位唤醒接收模块,随后后发送数据帧，其数据帧格式如下：3.4.4轮胎模块发射程序流程因为轮胎模块要适应长期工作，因此轮胎模块传输程序的算法选择不但要保证数据的可靠传输，同时还要保证最低的电能消耗。发射程序流程如图所示。如果车辆的状态为启动状态，则只发送一次数据帧。如果车辆进入高速行使状态，则表示任何轮胎的状况都会产生严重的后果，应保持警戒状态。所以，此时为了增加接收机接收数据的可靠性，连续发送255帧。3.5轮胎模块接收程序流程3.5.1无线信号接收程序设计接通电源后，接收机先后自行初始化和配置。一旦确认接收机配置完成，所有的LED就闪烁一次告知使用者模块准备就绪。在收到一个数据帧后，就要重新计算校验并与已经接收到的数据帧进行比较。数据帧经过确认后，某个轮胎和ID则要与存储在8051存储器中的4个ID值比较。如果发现一个相配的ID，则数据就被处理并点亮相应的LED。最后，数据帧通过串行口发送出去以供外部数据接收和存储。由于每个轮胎模块要发送相同格式的数据，接收机控制器能在收到全部数据帧后中断，这样它可以在大部分时间都处于低能耗睡眠状态。它还有许多节能选项，即使汽车停很长时间，也不会消耗完一块电池。3.5.2接收数据处理程序设计数据处理在接收到数据之后进行，首先保存接收的数据:历史采样压力、温度值依次移动，保存当前温度值与压力值在采样压力值1与采样温度值1单元:轮胎状态值保存在轮胎发射模式字节中，首先转变为千帕的量纲，然后变成BCD码保存在“压力转换值”，因为温度数据具有强的非线性，所以，对于温度信号先进行线性化转换为度的量纲，然后转换为BCD码进行保存:最后把轮胎无数据计数两个清零，完成数据处理。程序框图如图所示。3-10数据处理流程图3.5.3显示报警程序设计显示报警模块在中断部分调用，并且在多次计数，当显示内容变换时进行调用。在无报警状态，循环显示压力、温度值，并通过指示灯对所显内容的属性进行指示。在有报警状态时，显示报警是首要的，循环显示报警的内容，首先要对数据进行判断看是否有报警，报警分为压力报警和温度报警，另外无信号指示在正常数据循环显示时进行指示。根据转换的数据，判断压力是否有高报警和低报替，判断温度是否有高报警，分别设置报警状态对应的位。判断无信号时间是否长于设定时间，如果是，设置报警状态对应的位，并且无信号时间字节减I。然后4个轮胎的报警状态汇总到实际报警状态一个字节，经与报警屏蔽码进行与操作以后，保存在报警屏蔽码再用实际报警状态与报警屏蔽码进行异或操作，保存在显示报警状态中。当显示报警状态中出现报警时，循环扫描判断这一个字节，进行对应报警，并用报警计数记忆报警的内容，在下次扫描时，从当前内容之后进行，根据报警的内容设置显示内容的3个字节。无报警时，进入正常循环显示的内容。无报警正常循环显示时，根据正常显示循环计数的值判断应该显示值的属性，然后判断对应轮胎是否长时间无数据，由此得出应该显示的内容，设置显示内容，并且调整正常显示循环计数的值指示下次显示的内容。4.TPMS系统的抗干扰设计由于汽车轮胎内部的环境非常复杂，系统的环境干扰对整个系统的影响是比较大的。因此在轮胎检测系统的设计中，特别是涉及到高频无线信号，必须考虑与设计系统的抗干扰能力。抗干扰设计主要包括硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。4.1系统的干扰现象分析干扰一般都是以脉冲的形式进入微控制器，干扰窜入系统的渠道主要有三条：空间干扰，通过电磁波的辐射窜入系统；I/O通道干扰，由于用电设备的频繁启动电火花的干扰，用电设备对电源的污染都可以从系统的电源窜入。微控制器应用系统出错的主要现象及原因：（1）死机。主要原因是微控制器内部程序指针错乱，指向了其他位置，程序进入死循环；还可能是RAM数据被冲乱，使系统进入死循环。（2）显示数据混乱或闪烁。主要原因是微控制器内部程序指针混乱，连续不断进行错误显示数据输出，在显示电路部分的寄存器或者输入数据的干扰，造成显示单元不断的闪烁。（3）测量数据不准确。主要原因是系统的上述干扰现象，主要从硬件，软件两方面着手考虑。硬件技术适合于消除频率较高信号干扰，软件技术则适宜消除频率较低信号中的干扰。4.2硬件抗干扰设计子机的工作频率很高，因此采样发射部分的抗干扰及电磁兼容性设计就显得尤为重要。针对此问题采取了如下措施：（1）原件的布置。子机前置部分与高频发射部分间隔一定距离，避免高频信号对数字电路的干扰。整个电路布件，走线紧凑；高频电路中分布参数小。（2）电源去耦。极化的去耦电容，额定电容是0.1uF。去耦电容的最典型的使用值是0.01uF到0.1uF。一般使用0.1uF电容，因为它有多余的容抗以防止电扰动，并由于它的低等效串接电阻而能够对电流涨落快速响应。（3）数字地与模拟地。前置放大级的模拟地，发射电路的模拟地和单片机系统的数字地分开，单独走线，最后在一点交合，在电气安装上遵循“一点接地”的原则。（4）走线的布置。数字信号输入端与模拟信号输入端尽量远离，否则数字信号将通过布线间的寄生电容耦合到模拟输入端；在有感应的线路中间要置一根隔地线，且尽量缩短信号线长度。走线平滑自然，避免长距离平行走线以抑制印刷线条之间的串音干扰；尽可能用铜箔做成大面积接地；在印刷板的各关键位置配置去耦电容。（5）精心选择元器件。元器件是构成系统的基础。应该选择那些继承化程度高，抗干扰能力强，功耗又小的元器件。我们基本上都采用贴片元件。它们有体积小，高频性能好，电器性能好，温度系数小等优点。4.3系统软件的抗干扰设计系统在使用时，大量的干扰源一般不会造成硬件系统的损坏，但常常46使系统不能正常运行，传入系统的干扰，频带很宽，而硬件系统采用的抗干扰措施，只能抑制高频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，因此，除了采用硬件抗干扰方法外，还必须采用软件抗干扰措施。在该系统中，干扰会造成的后果:程序运行失常，数据的采集或通讯时发生数据的改变，以至于造成误报警。干扰引起的程序运行失常，以至于系统的失效，是一种比较严重的干扰后果，一般会造成程序乱飞或者陷入死循环，对这种干抚后果的软件对策主要是发现失常时，能够及时引导程序恢复原始状态，传统上常用的方法有：（1）指令冗余技术程序计数器PC值因干扰出现错误，会使程序出现乱飞，出现操作数数值改变以及操作数或者操作码的错误。为了避免这种结果，应该多使用单字节指令，在关键部分插入NOP空指令，或者有效单字节指令重写，指令。（2）软件陷阱技术对于跑飞的程序指向非程序区，则指令冗余方法无能为力了，这就需要软件陷阱技术，也就是用引导指令强行将捕捉到的乱飞程序引向复位入口指令，使程序纳入正轨。（3）看门狗技术看门狗(Watchdog)技术是针对程序陷入死循环的状态，看门狗技术就是不断监视程序循环运行的时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为进入了“死循环”，强制复位。使系统纳入正轨。5.结果分析 采用上述选用的器件用仿真软件进行电路连接，整套设备的基本功能可以实现。传感器采集压力信号，单片机将传感器信号进行处理和调制后，经无线发射电路把信号送给接收器接收，中央处理器对接收到的信号进行处理，以便显示和报警。综上所述，本系统的研制实现以下五项功能：（1）通过安装在轮胎内部的压力传感器，在线实时监测轮胎的压力信号。（2）利用加速度传感器使系统具有唤醒功能，减少系统的功耗。（3）通过装在轮胎内部的微控制器对测量的压力数据进行分析和处理，并控制无线发射模块进行数据处理的传送。（4）主机接收无线信号，进行信号的转换和处理，对实际压力值进行轮流实时显示。（5）通过主机系统进行判断，压力过高或过低时，轮胎模块发生故障时进行报警，提醒驾驶员注意。6.结论汽车轮胎压力控制系统是目前汽车消费者最为关心的汽车安全技术，也得到了越来越多汽车厂商的重视，无疑有着广阔的市场。目前汽车轮胎压力监视系统己经有相关产品问世。而相对于这些只监视轮胎气压的产品来说，我们所研发的新型轮胎压力无线监测系统无疑有着更高的实用价值和更强的市场竞争力。本论文主要进行了如下几个方面的研究与设计工作：（1）分析了当前轮胎检测系统的优缺点，综述了国内外轮胎压力检测系统的发展概况，提出了一种可行的系统设计方案；（2）在轮胎模块上，采用微控制器对传感器进行设置，采样，并且通过无线信号进行采集数据的传送；（3）采用集成化芯片以及低功耗技术，保证了轮胎模块要求体积小，重量轻，能耗小的要求，延长系统的使用寿命；（4）在软件设计上，根据轮胎状态的不同，采用不同的运行模式，即保证系统数据的可靠性，也有效减少了轮胎模块的能耗。（5）在无线数据传输上，采用FSK模式的调频载波的方式，以及进行CRC校验，提高系统数据传输上的抗干扰能力。（6）通过对系统的软件编码，实现了软件的异步串行通信。（7）进行硬件与软件的综合抗干扰设计，尤其是高频电路板的电路布局与布线设计，全面提高了系统的可靠性。7.设计心得体会本次设计我花费了很长的一段时间，原因是第一次做设计性实验，设计的产品涵盖的知识面广，涉及的内容多，其中包括了很多自己不曾学过也不曾了解的知识。尽管有些知识是学过的但因为隔的时间久也忘得差不多了。通过这次设计，我系统的复习了以前学过的有关传感器的知识，protel等仿真软件的使用，还掌握不少新的知识，包括无线发射与接收设备的使用，A/D与D/A转换器的使用等。明显的提高了动手能力。同时我还熟练的学会了中国知网的使用。掌握了如何做好一次设计性实验，拿到一个不懂的题目如何入手。设计性实验是一个重要的教学环节，通过设计性实验使我了解到一些实际与理论之间的差异。通过设计性实验不仅可以巩固专业知识，为以后的工作打下了坚实的基础，而其还可培养和熟练使用资料，运用工具书的能力，把我们所学的课本知识与实践结合起来，起到温故而知新的作用。设计性实验给我很多专业知识以及专业技能上的提升。

总之，这次设计性实验使我收获很多、学会很多、比以往更有耐心很多。感谢学校及老师给我这次设计实验的机会，最真挚的感谢老师，在设计过程中，老师精心的辅导和不厌其烦地的态度才使得我以顺利的完成这次设计，他那无私的奉献的精神照耀着我对学习的热爱，同时也增加我对知识的追求和欲望度。

引力波的实验探测给我们的启示摘要：引力理论的发展经历了数百年，从牛顿到爱因斯坦，从万有引力定律到广义相对论。在这过程中，科学家们引力波的预言质疑不休、争论不止。而引力波的实验探测无疑证明了一切。引力波的发现，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，也确定了他的理论的正确。这是人类史上出现的又一契机，它将为人类社会带来重大变革。“破五”是中国传统迎财神的日子。2016年的这一天，却一个让全世界物理学界沸腾的日子，甚至许多的物理学家为之痛哭流涕——被预言已经百年的引力波，终于被探测到了。引力是什么？在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中，引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是：强相互作用(1),电磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此，在研究基本粒子的运动时，引力一般略去不计。但在天文学领域内，由于涉及的对象的质量极其巨大，引力就成为不仅支配着天体的运动，而且往往是天体的结构和演化的决定因素。引力并不是一种所谓的“力”，而是一种属性。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出万有引力定律，基于此，他结识了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象，并根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。简单的说，质量越大的东西产生的引力越大，地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，突破了绝对时间和绝对空间的概念，否定了瞬时超距作用，从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过十年的探索后，爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论——广义相对论。广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。这种弯曲是由物质造成的，物质的质量越大，所形成的扭曲也就越严重。但是这种弯曲，对于人类来说根本感知不到，一是因为人类伴随这种弯曲一起弯曲了，而是由于这种弯曲太微小。大质量物体发生的扭曲引起了震动，而这种震动，就是引力波。科学家们通过探测这种时空震荡，来证实引力波的存在。早在1916年，爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在。而科学家们普遍认为，这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，证实了爱因斯坦广义相对论的正确性，弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞，验证了已故科学家爱因斯坦的预言。探测的仪器叫做迈克尔逊干涉仪，或是LIGO。LIGO的“两条腿”都有4千米长，最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的原理是什么？简单来说是利用光速不变，在同样的直线路程里测试耗时，而通过时间的偏差（尽最大可能排除误差，也是耗资巨大的原因）来判定空间确实存在震动。这样的实验设置基于爱因斯坦的假设：光速不变，是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。可能的引力波探测源包括致密双星系统（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。在过去的数十年里，许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在进行了大量研究。其中，泰勒和赫尔斯由于第一次得到引力波存在的间接证据荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止，类似的双中子星系统已经发现了近十个，但是双黑洞系统却是首次。在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯。虽然他的共振棒探测器最后没能找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，为如今的硕果打下了基础。因为在地面上很容易受到干扰，所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项，目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行。作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功，目前正在调试之中。中国的科研人员，在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目。引力波的实验探测引起了世界范围的轰动，这些探测极其不易，宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波，才相对容易探测到，例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前，爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说：“这些数值是如此微小，她们不会对任何的东西产生显著的作用，没人能够去测量它们。”蔡一夫给出解释：“时间发生得越早，距离越远，越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平，这样其波动性就难以被探测到。例如，这次LIGO探测到的引力波，是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波，振幅之小，是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的是非常不容易，LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折，不断调整方案，改进仪器，才最终探测到的。”所以它的成功探测也标志着在这个领域人类的技术进步到了前所未有的水平。而它所具有的里程碑意义不止在科学情感上，更在于能够打开人类的一个新的世界——每个人都对它满怀期待。如果电磁波探测是人类的眼睛，那么人类又多了一双聆听外界的耳朵。马克斯·普朗克引力物理研究所说：“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中，LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢？”引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二：引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡，引力波能够不受阻碍的穿过。对于天文学家来说，这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息，而每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。而引力波本身的性质也可能对基础物理学产生巨大的影响。另外，引力波蕴含的，很可能是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始，宇宙又一次最为剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在？有多大规模？不仅如此，引力波还能传递信息——我们看不到的宇宙空间在发生什么？据科学家解释，这次的引力波就是在遥远的距离上巨大的黑洞变化引起的。而这一结果也证明了黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。并且，引力波传递的信息可以让科学家更精确地估计宇宙膨胀的速度。总而言之，一个新的重大科学发现，总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪面熟电磁波的麦克斯韦理论确认的时候，也没人知道会给人类带来什么，但是现在不管是电视机还是移动电话，都与电磁现象有关。引力波的发现类似当年的发现X光一样，是一种工具。有了这个工具，我们可以利用引力波的观察，去观察遥远的宇宙的现象。发现暗物质、时空穿梭等等才是有可能实现的事情。如果没有引力波，以我们现有的技术是做不到这些科幻世界才有的事情的。“既然引力波是存在的，基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一条未知的路，走到半路，有人怀疑不对，结果证实是对的，那么就可以加快步伐了。”苏萌说。世界各国都加大了探测研究引力波的力度，我国也紧跟探索引力波的步伐。“天琴计划”参与者、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授介绍，“天琴计划”是我国自主开展空间引力波探测的可行方案，发射三颗卫星探测引力波，该计划预期执行期为2016~2035年，分四阶段实施。项目还将挖山洞，建观测站以及建设综合研究大楼。预计拟投三亿启动。天琴计划预期执行期为2016-2035年，分四阶段实施：（1）2016-2020年：完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括：新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制（包含微推进器）、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等；（2）2021-2025年：完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机，并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含：超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪以及进一步提高加速度计、无拖曳控制、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术；（3）2026-2030年：完成空间引力波探测关键技术，完成卫星载荷工程样机；（4）2031-2035年：进行卫星系统整机联调测试、系统组装，发射空间引力波探测卫星。李淼介绍，“天琴计划”的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景，提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。在目前讨论的初步概念中，天琴将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器，实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动，而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。“天琴”的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题。中国科学院也于2016年2月16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”。按照这一计划，我国将在2030年前后发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。中科院力学研究所胡文瑞院士表示，“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”胡文瑞说，“空间太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案：方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划；方案二是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空，进行低频引力波探测。据介绍，空间引力波探测被列入中科院制订的空间2050年规划。2008年由中科院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与。引力波的发现是感人至深的，它印证了一位物理学大师的睿智伟大，为年富力强的物理学家们增添了信心和安慰。在理性上，引力波的发现更是激动人心的，人类的历史将会改写，一切都是未知，未知也许会更加美好。参考文献：[1].柏格曼著，周奇、郝苹译：《相对论引论》，高等教育出版社，北京，1961。(P.G.Bergmann,IntroductiontotheTheoryofRelativity,Butterworths,London,1958.)[2].温伯格著，邹振隆译：《引力和宇宙论》，科学出版社，北京，1979。(S.Weinberg,GravitationandCosmology,JohnWileyandSons,NewYork,1972.)[3].北京:科学出版社,1977.J·韦伯著,陈凤至,张大卫.《广义相对论与引力波》[4].《引力波与引力波探测》李芳昱、张显洪[5].《引力、引力波和引力